一種新型縫隙同軸電纜的仿真設計

陳佳星 肖高標

摘? 要：文章介紹一種工作在2.4GHz頻率的新型縫隙同軸電纜，其特點是頻帶較寬，輻射場分布較均勻，可以應用在某些特定場合，例如相控陣失效單元監測和射頻標簽（RFID）讀取。縫隙結構是蝴蝶結型，容易優化。仿真結果表明，該縫隙同軸電纜在2.4GHz處的頻帶寬度約500MHz。

關鍵詞：縫隙同軸電纜;近場輻射;HFSS仿真

中圖分類號：TM248+.3 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0107-02

縫隙同軸電纜廣泛使用在高鐵、隧道、室內通信等環境下無線通信系統中[1]。其特點是電磁波沿著電纜傳播的同時，可以漏泄部分電磁波出來，具有收發天線的功能。縫隙同軸電纜外導體上不同縫隙結構的輻射特性差別很大，因此，近年來出現了多種新型縫隙結構。

文獻[2]提出一種UHF波段同軸縫隙天線，主要應用于近場RFID系統。通過在外導體上開周期性的三角形和波浪形縫隙，使得這種結構的近場耦合大大提高，可以在一定范圍內有效地識別無源RFID標簽。縫隙同軸結構應用于相控陣失效單元監測由文獻[3]提出，在相控陣附近放置縫隙同軸電纜作為接收天線，代替遠場監測的方案。本文在上述兩種應用場景下提出了一種新型縫隙同軸結構，通過幾種簡單縫隙結構的組合，使得該縫隙同軸電纜的設計靈活性大大提高。與此同時，該縫隙結構還具有工作頻帶較寬，輻射較均勻的特點。

1 縫隙電纜結構

本文設計的縫隙結構為蝴蝶結型，結構圖如圖1所示。同軸線一端短路，一端為波端口，縫隙開在外導體。為了模擬天線與輻射源的近場耦合特性，在離天線一定距離處（近場范圍內）添加了一個電小尺寸領帶結天線。

縫隙同軸電纜外導體上的縫隙結構有許多種，比如垂直縫隙、八字形縫隙，還有三角縫隙。而這些單一性縫隙結構的缺點就是可調節參數少，靈活性較差。因此我們通過組合幾種簡單縫隙結構的方式設計新型縫隙結構，增加優化設計的靈活性。

蝴蝶結型縫隙的結構如圖2所示，該縫隙結構可以看作是八字形與垂直縫隙的組合。蝴蝶結型縫隙結構主要由以下幾個參數決定。縫隙的寬度w1，縫隙間距w2，垂直縫隙的高度為2wz，縫隙關于xoy面對稱，縫隙的形狀還與兩個夾角有關，分別是α和β角。在本文中，縫隙同軸電纜的內導體半徑和外導體內半徑分別是a=4.9mm和b=12.5mm，外導體的厚度為1mm，電纜中絕緣介質的相對介電常數εr=1.4。中心工作頻率設為2.4GHz，工作波長為125mm。縫隙結構尺寸見表1。

表1 縫隙同軸電纜中縫隙參數值

2 縫隙同軸結構仿真與優化

本文采用商用仿真軟件HFSS，依據上述參數建立仿真模型，工作頻率設為2.4GHz，同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領帶結天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網絡，縫隙同軸電纜的一端作為輸入端，設置為端口1，另一端設置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領帶結天線設置為端口2。dx為領帶結天線沿著縫隙同軸電纜一端（端口1）到另一端（短路端）縫隙同軸電纜的回波損耗（匹配特性）、耦合損耗可以由|S11|、|S21|來分別表示。

本文采用商用仿真軟件HFSS，依據上述參數建立仿真模型。同時在距離電纜一定距離處放置一個電小尺寸領帶結天線作為接收天線。整個模型可以看作一個兩端口網絡，縫隙同軸電纜的一端作為輸入端，設置為端口1，另一端設置為短路。邊緣縫隙距離短路端口為λ/4。領帶結天線設置為端口2。dx為領帶結天線沿著縫隙同軸電纜一端（端口1）到另一端（短路端）縫隙同軸電纜的反射系數可以由

|S11|表示，與領帶結天線之間的電磁耦合強度可以由|S21|表示。

優化前后的縫隙結構參數如表1所示，優化后的S參數如圖3所示。由圖3（a）可知，優化后的縫隙電纜在2.4GHz左右具有約為500MHz的-10dB帶寬。在圖3（b）中，優化后耦合強度有所增加。雖然單個縫隙輻射有較強的方向性，其監測范圍較窄，但多個縫隙的輻射場疊加覆蓋，可以有效地使輻射場沿電纜方向擴展，使同軸電纜的監測范圍大幅度增加，而且輻射場強比較均勻，可用于相控陣單元監測，以及較寬范圍內分布的射頻標簽的讀取識別。

3 結束語

本文提出了一種工作在2.4GHz處新型縫隙同軸結構，通過優化縫隙參數，得到了一種匹配特性良好并且輻射較均勻的縫隙同軸結構，可以有效地擴展縫隙同軸電纜的電磁耦合范圍。

參考文獻：

[1]Xiao-Dong Yang， Yan-Fei Jia， Hai-Yu Chi. Research on the resonance points of leaky coaxial cable for mobile communication[C]. International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing， 2007：1008-1011.

[2]J. Jiang， L. Wang and G. Wang. Leaky coaxial cable for near-field UHF RFID applications[C]. 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation （APCAP）.Xi'an， 2017：1-3.

[3]L. Infante， S. Danilo Quintili and C. Romanucci. A real-time diagnostic tool for phased array antenna systems[C]. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham， MA， 2013：725-730.

[4]王均宏，簡水生.漏泄同軸電纜輻射模式分析及高次模抑制[J].通信學報，2000（12）：17-22.